Page 22 - 水利学报2021年第52卷第6期

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分传输系数与裂缝宽度的三次方成正比，这与 Van Mullem 等 ［37］ 得出的结论类似。Picandet 等 采用同
样的方法开展了混凝土气、水渗透性试验，基于开裂岩石的平行板理论模型建立了混凝土的水分传
输系数与裂缝宽度之间的关系，其表达式为：
k = λ w 3 （4）
Δ 12
式中：λ为裂缝粗糙折减系数；w 为裂缝宽度，μm； Δ 为裂缝密度，μm/μm 。
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先进的成像技术为可视化研究水泥基材料中裂缝宽度对水分传输影响提供了条件。张苑竹等 ［38］
利用红外热像仪可视化实时追踪水分在开裂混凝土中的运动过程（裂缝宽度 w=300、500、1000 μm ），
并基 于 Richards 方 程 及 立 方 定 律 提 出 了 外 水 压 力 作 用 下（0.1～0.6 MPa）非 饱 和 开 裂 混 凝 土 的 水 分
传 输 方 程 。 结 果 表 明 ， 在 相 同 裂 缝 宽 度 下 ， 混 凝 土 的 纵 向 裂 缝 渗 透 性 比 横 向 裂 缝 渗 透 性 高 ， 且
裂 缝 宽 度 与 水 分 传 输 系 数 呈 正 相 关 。 另 外 ， Yang 等 ［39-40］ 采 用 X-ray CT 对 具 有 不 同 裂 缝 宽 度 的 不
饱 和 砂 浆 水 分 传 输 过 程 进 行 了 可 视 化 实 时 监 测 ， 发 现 开 裂 砂 浆 中 水 分 为 二 维 传 输 ， 且 裂 缝 宽 度
越 大 ， 毛 细 吸 水 高 度 越 低 ； 裂 缝 宽 度 从 0 增 加 到 100 μm 时 ， 开 裂 砂 桨 的 吸 水 速 率 呈 线 性 增 加 ；
当 w>100 μm 时 ， 吸 水 速 率 逐 渐 下 降 ， 但 减 小 的 速 度 相 对 慢 ； w=100 μm 时 ， 吸 水 速 率 达 到 最
大，为 2.7×10 mm/s。
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部分学者 ［30-32，36，41-42］ 在试验和理论分析的基础上，获得了裂缝宽度阈值（下限值 w ，上限值 w ）及
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其对水分传输的影响规律，发现水分传输系数与混凝土本身的材料组成无关，仅与裂缝宽度和外界
环境条件有关。本文收集了部分试验结果汇总在表 1 中，主要结论总结如下：（1）w<w 时，由于混凝
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土裂缝宽度很小，水泥水化所产生的 CaCO 沉淀等会堵塞裂缝，促进混凝土的裂缝自愈合，使得开
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裂混凝土的水分传输速度降低，裂缝宽度对水分传输速度影响很小；（2）w ≤w≤w 时，虽然混凝土
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内部颗粒的阻滞效应以及水泥持续水化产生的 CaCO 沉淀等影响了水分的传输，但由于裂缝宽度的
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增加，裂缝中水分传输量也随之增大，此时水分传输不仅沿着裂缝方向继续延伸，同时沿垂直于裂
缝方向继续渗透，从而导致裂缝中水分传输系数随着裂缝宽度的增加而增大；（3）w>w 时，由于裂缝
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壁及 CaCO 沉淀等的阻滞效应很小，水分很快贯穿裂缝，裂缝中水分与基体混凝土的接触面积增
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大，此时可忽略水分沿裂缝方向的传输，只考虑沿垂直裂缝面的渗透，开裂混凝土吸水量稳步增加
并最终趋于稳定。

表 1 影响水分传输的裂缝宽度阈值

数据来源 水灰比 裂缝诱导产生方式 水传输测试方法 w 1/μm w 2/μm
Li 等 [35] 0.43 反馈劈裂试验 常水头渗透测试 150
Aldea 等 [36] 0.45 反馈劈裂试验 低压水渗透测试 50 200
Shin 等 [42] 劈裂试验 常水头渗透测试 200 300
Wang 等 [43] 0.41 反馈劈裂试验 稳态迁移测试 50 200
Hyun 等 [44] 0.54 反馈劈裂试验 水渗透测试 50 100
Liu 等 [45] 0.25 单轴拉伸试验 变水头渗透测试 50 80
Park 等 [46] 0.44 劈裂试验 水渗透测试 200
Akhavan [47] 0.37 劈裂试验 Darcian flow-thru cell 测试 60 80

以上研究有助于认识混凝土裂缝宽度对水分传输的影响规律，但不同文献中的试验数据具有很
大的离散性，主要体现在两方面：（1）试验中获得的水分渗透系数（K）的量级存在较大差异，例如当
裂缝宽度 w=100 μm 时，Aldea 等 ［36］ 和 Liu 等 ［45］ 获得的 K 值分别约为 1.58×10 m/s 和 2.73×10 m/s，而
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Park 等 ［46］ 的结果 K 值却仅为 5.57×10 -11 m/s；（2）裂缝宽度阈值不同。由于混凝土组成成分、裂缝诱导
产生方式、养护条件以及水传输测试方法等的不同，大量学者在试验中得出的或在计算中采用的 w
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和 w 值具有较大的离散性，如表 1 所示。
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3.4 裂缝密度 实际工程结构中，混凝土内部存在多条裂缝。目前关于裂缝密度对混凝土水分传输
规 律 影 响 的 研 究 报 道 较 少 。 Torrijos 等 ［48］ 对 暴 露 于 低 湿 度（干 燥 室）或 高 温 条 件 及 受 碱 - 硅 反 应

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